JP2014220739A - プリント基板ダイポールアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】プリント基板上にアンテナを形成する場合に、広帯域の共振周波数を有しつつ、柔軟な設計が可能なアンテナを実現すること。
【解決手段】プリント基板ダイポールアンテナ１０は、プリント基板１１と、２つのアンテナ素子１２、１３からなり、プリント基板１１の一方の面に設けられるダイポールアンテナと、プリント基板１１の他方の面に設けられる導電体１７と、アンテナ素子１２の一部と導電体１７の一部との間に形成され、アンテナ素子１２と導電体１７とを電気的に接続するスルーホール１６と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プリント基板上にダイポールアンテナが形成されたプリント基板ダイポールアンテナに関する。

近年、通信機器は、ますます小型化、薄型化する傾向にある。このような通信機器で平面アンテナが用いられる場合、平面アンテナは通常プリント基板上に形成される。このようなアンテナは、比較的容易に製造することができる。

平面アンテナが小型化されると、低い周波数での共振が生じにくくなり、また、共振が生じる周波数帯域の幅も狭くなる。これを防ぐには、平面アンテナを配置する領域をできるだけ広く確保して、平面アンテナの面積を大きくすることが重要となる。

例えば、特許文献１には、プリント基板の両面に逆Ｌ形状アンテナパターンを構成し、それらを複数のスルーホールで電気的に接続したパターンアンテナが開示されている。図１３は、特許文献１に開示されたパターンアンテナの構成を示す図である。

このパターンアンテナでは、プリント基板１の表面に、金属箔によって、グランドパターン２と、逆Ｆ形状アンテナパターン５と、逆Ｌ形状アンテナパターン６とが形成される。また、裏面には、グランドパターン２と重なるようにグランドパターン３が形成され、さらに逆Ｌ形状アンテナパターン６と重なるように、逆Ｌ形状アンテナパターン７が形成される。

グランドパターン２とグランドパターン３とは、複数のスルーホール２ａ、３ａによって電気的に接続される。また、逆Ｌ形状アンテナパターン６と逆Ｌ形状アンテナパターン７とは、パターン全面にわたって形成された複数のスルーホール６ａ、７ａによって電気的に接続される。そして、給電点４は、逆Ｆ形状アンテナパターン５とグランドパターン２との間に接続される。

このように、このパターンアンテナでは、無給電素子となる複数の逆Ｌ形状アンテナパターン６、７が重ねて形成され、それらの逆Ｌ形状アンテナパターン６、７はパターン全面にわたって形成された複数のスルーホール６ａ、７ａを介して接続される。

特許文献１には、パターンアンテナをこのような構成とすることにより、逆Ｌ形状アンテナパターンを表面にのみ形成する場合に比べて、周波数帯域幅が広くなると記載されている。

特開２００４−２０１２７８号公報

しかしながら、上述した特許文献１の従来技術は、逆Ｌ形状アンテナパターン６と逆Ｌ形状アンテナパターン７とを組み合わせたものであり、プリント基板１の裏面のアンテナパターンの形状が、プリント基板１の表面のアンテナパターンと同一の形状に制限されている。そのため、この従来技術では、柔軟なアンテナ設計を行うことができないという問題がある。

具体的には、プリント基板１の両面に同一形状の逆Ｌ形状アンテナパターン６、７を重ねて形成するので、表面のアンテナパターンにおいて発生する電界と、裏面のアンテナパターンで発生する電界との間の相互作用を適宜調整することができないという問題がある。この相互作用は、電波の指向性等に密接に関係してくるものである。

本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、プリント基板上にアンテナを形成する場合に、広帯域の共振周波数を有しつつ、柔軟な設計が可能なアンテナを実現することを目的とする。

本発明のプリント基板ダイポールアンテナは、プリント基板と、第１のアンテナ素子および第２のアンテナ素子からなり、プリント基板の第１の面に設けられるダイポールアンテナと、プリント基板の第２の面に設けられる導電体と、第１のアンテナ素子の一部と導電体の一部との間に形成され、第１のアンテナ素子と導電体とを電気的に接続する接続部と、を具備する。

本発明によれば、プリント基板上にアンテナを形成する場合に、広帯域の共振周波数を有しつつ、柔軟な設計が可能なアンテナを実現することができる。

本発明の実施形態１に係るプリント基板ダイポールアンテナの構成を示す図 電圧定在波比と周波数との間の関係を示す図 本発明の実施形態２に係るプリント基板ダイポールアンテナの第１の構成を示す図 本発明の実施形態２に係るプリント基板ダイポールアンテナの第２の構成を示す図 本発明の実施形態２に係るプリント基板ダイポールアンテナの第３の構成を示す図 電圧定在波比と周波数との間の関係を示す図 本発明の実施形態２に係るプリント基板ダイポールアンテナの第４の構成を示す図 本発明の実施形態２に係るプリント基板ダイポールアンテナの第５の構成を示す図 本発明の実施形態２に係るプリント基板ダイポールアンテナの第６の構成を示す図 電圧定在波比と周波数との間の関係を示す図 本発明の実施形態３に係るプリント基板ダイポールアンテナの構成を示す図 アンテナ素子と導電体を電気的に接続する他の方法について説明する図 特許文献１に開示されたパターンアンテナの構成を示す図

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るプリント基板ダイポールアンテナ１０の構成を示す図である。図１（Ａ）は、プリント基板ダイポールアンテナ１０の一方の面を示している。また、図１（Ｂ）は、プリント基板ダイポールアンテナ１０の他方の面を示している。

図１（Ａ）に示すように、このプリント基板ダイポールアンテナ１０では、プリント基板１１の一方の面に、アンテナ素子１２、１３が設けられる。ここで、アンテナ素子１２の形状は、Ｓ字状となっており、アンテナ素子１３の形状は、短冊状となっている。

アンテナ素子１２の一端は、同軸ケーブル（図示せず）の内部導電体（信号側導電体）が接続される接続部１５となっている。また、接続部１５に対向するアンテナ素子１３の他端は、同軸ケーブルの外部導電体（グランド側導電体）が接続される接続部１４となっている。

すなわち、アンテナ素子１２、１３は、それぞれ、接続部１５、１４から給電される。そして、アンテナ素子１２、１３は、上記のような同軸ケーブルを介して、通信機器に接続される。

なお、ここでは、同軸ケーブルの内部導電体を接続部１５に接続し、外部導電体を接続部１４に接続することとしたが、内部導電体を接続部１４に接続し、外部導電体を接続部１５に接続することとしてもよい。

また、ここでは、アンテナ素子１２、１３と通信機器とを同軸ケーブルを介して接続することとしたが、アンテナ素子１２、１３と通信機器とをマイクロストリップラインやストリップラインを介して接続することとしてもよい。

そして、図１（Ｂ）に示すように、プリント基板１１のもう一方の面には、導電体１７が設けられる。ここで、導電体１７の形状は、板状となっている。この導電体１７とアンテナ素子１２とは、アンテナ素子１２の端部に設けられたスルーホール１６を介して電気的に接続される。その結果、アンテナ素子１２、１３と、アンテナ素子１２に接続される導電体１７とは、非対称のダイポールアンテナを形成する。

プリント基板の一方の面にアンテナ素子を設け、他方の面に導電体を設け、それらを電気的に接続したダイポールアンテナでは、図１３に示したような逆Ｌ形状のアンテナ等と比較して、アンテナ素子および導電体の形状、配置の自由度が高い。特に、このダイポールアンテナでは、グランドパターンを設ける必要がないので、アンテナ素子および導電体の形状、配置の自由度がさらに高くなる。

そのため、プリント基板の一方の面のアンテナパターンにおいて発生する電界と、他方の面のアンテナパターンで発生する電界との間での電界の強め合い、打ち消し合いを考慮して、柔軟なアンテナ設計が可能となる。その結果、図１に示したようなアンテナ構成が容易に実現され、指向性等の特性を所望のものに設定することができる。

また、このプリント基板ダイポールアンテナ１０は、小型でありながら、広い帯域で共振することができる。図２は、電圧定在波比（VSWR: Voltage Standing Wave Ratio）と周波数との間の関係を示す図である。

ここで、図２（Ａ）は、プリント基板１１の一方の面にはアンテナ素子１２、１３を設けるが、他方の面には導電体１７を設けない場合の電圧定在波比と周波数との間の関係を示す図である。

図２（Ｂ）は、プリント基板１１の一方の面にアンテナ素子１２、１３を設け、さらに他方の面に導電体１７を設けるが、アンテナ素子１２と導電体１７とを接続するスルーホール１６を設けない場合の電圧定在波比と周波数との間の関係を示す図である。

また、図２（Ｃ）は、プリント基板１１の一方の面にアンテナ素子１２、１３を設け、さらに他方の面に導電体１７を設け、アンテナ素子１２と導電体１７とをスルーホール１６で接続する場合の電圧定在波比と周波数との間の関係を示す図である。

電圧定在波比が３以下となる帯域に着目すると、図２（Ｃ）では、図２（Ａ）、（Ｂ）の場合と比べ、ダイポールアンテナの長さが変化した分、帯域が変化する。それだけでなく、図２（Ｃ）では、図２（Ａ）、（Ｂ）の場合と比べ、帯域幅が広くなる。

そのため、図１に示すプリント基板ダイポールアンテナ１０では、１つのダイポールアンテナであるにもかかわらず、複数の周波数で共振することが可能となるという利点がある。

（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２に係るプリント基板ダイポールアンテナ１０の第１の構成を示す図である。図３（Ａ）は、プリント基板ダイポールアンテナ１０の一方の面を示している。また、図３（Ｂ）は、プリント基板ダイポールアンテナ１０の他方の面を示している。

図３（Ａ）に示すように、このプリント基板ダイポールアンテナ１０では、プリント基板１１の一方の面に、アンテナ素子１２、１３が設けられる。ここで、アンテナ素子１２の形状は、２つの短冊状領域が板状領域の両側に付加された形状であり、それら２つの短冊状領域は、他方のアンテナ素子１３側に突出している。また、アンテナ素子１３の形状は、板状となっている。

そして、アンテナ素子１２の短冊状領域の一端は、同軸ケーブル（図示せず）の内部導電体（信号側導電体）が接続される接続部１５となっている。また、接続部１５に対向するアンテナ素子１３の角部は、同軸ケーブルの外部導電体（グランド側導電体）が接続される接続部１４となっている。

すなわち、アンテナ素子１２、１３は、それぞれ、接続部１５、１４から給電される。そして、アンテナ素子１２、１３は、上記のような同軸ケーブルを介して、通信機器に接続される。

なお、ここでは、同軸ケーブルの内部導電体を接続部１５に接続し、外部導電体を接続部１４に接続することとしたが、内部導電体を接続部１４に接続し、外部導電体を接続部１５に接続することとしてもよい。

また、ここでは、アンテナ素子１２、１３と通信機器とを同軸ケーブルを介して接続することとしたが、アンテナ素子１２、１３と通信機器とをマイクロストリップラインやストリップラインを介して接続することとしてもよい。

そして、図３（Ｂ）に示すように、プリント基板１１のもう一方の面には、導電体１７が設けられる。ここで、導電体１７の形状は、板状となっている。この導電体１７とアンテナ素子１２とは、アンテナ素子１２の端部に設けられたスルーホール１６を介して電気的に接続される。その結果、アンテナ素子１２、１３と、アンテナ素子１２に接続される導電体１７とは、非対称のダイポールアンテナを形成する。

図４は、本発明の実施形態２に係るプリント基板ダイポールアンテナ１０の第２の構成を示す図である。図４に示したプリント基板ダイポールアンテナ１０では、アンテナ素子１３の形状が短冊状であることが、図３に示したプリント基板ダイポールアンテナ１０と異なる。その他の構成は、図３に示したプリント基板ダイポールアンテナ１０と同じである。

また、図５は、本発明の実施形態２に係るプリント基板ダイポールアンテナ１０の第３の構成を示す図である。図５に示したプリント基板ダイポールアンテナ１０では、短冊状のアンテナ素子１３の長手方向の長さが、図４に示したアンテナ素子１３に比べて短くなっている。その他の構成は、図４に示したプリント基板ダイポールアンテナ１０と同じである。

前述のように、プリント基板の一方の面にアンテナ素子を設け、他方の面に導電体を設け、それらを電気的に接続したダイポールアンテナでは、図１３に示したような逆Ｌ形状のアンテナ等と比較して、アンテナ素子、および、導電体の形状、配置の自由度が高い。特に、このダイポールアンテナでは、グランドパターンを設ける必要がないので、アンテナ素子および導電体の形状、配置の自由度がさらに高くなる。

そのため、プリント基板の一方の面のアンテナパターンにおいて発生する電界と、他方の面のアンテナパターンで発生する電界との間での電界の強め合い、打ち消し合いを考慮して、柔軟なアンテナ設計が可能となる。その結果、図３〜図５に示したようなアンテナ構成が容易に実現され、電波の指向性や強度を所望のものに設定することができる。

また、これらのプリント基板ダイポールアンテナ１０でも、小型でありながら、広い帯域で共振することができる。図６は、電圧定在波比と周波数との関係を示す図である。

ここで、図６（Ａ）は、図３に示したプリント基板ダイポールアンテナ１０における電圧定在波比と周波数との関係を示す図である。図６（Ｂ）は、図４に示したプリント基板ダイポールアンテナ１０における電圧定在波比と周波数との関係を示す図である。図６（Ｃ）は、図５に示したプリント基板ダイポールアンテナ１０における電圧定在波比と周波数との関係を示す図である。

いずれの場合も、電圧定在波比が２以下となる帯域が複数観測される。すなわち、図３〜５のようなプリント基板ダイポールアンテナ１０であっても、複数の周波数で共振することが可能となる。

また、図７は、本発明の実施形態２に係るプリント基板ダイポールアンテナ１０の第４の構成を示す図である。図８は、本発明の実施形態２に係るプリント基板ダイポールアンテナ１０の第５の構成を示す図である。図９は、本発明の実施形態２に係るプリント基板ダイポールアンテナ１０の第６の構成を示す図である。

ここで、図７に示したプリント基板ダイポールアンテナ１０では、プリント基板１１の長手方向における導電体１７の長さが、図３に示した導電体１７に比べて短くなっている。その他の構成は、図３に示したプリント基板ダイポールアンテナ１０と同じである。

また、図８に示したプリント基板ダイポールアンテナ１０では、プリント基板１１の長手方向における導電体１７の長さが、図４に示した導電体１７よりも短くなっている。その他の構成は、図４に示したプリント基板ダイポールアンテナ１０と同じである。

また、図９に示したプリント基板ダイポールアンテナ１０では、プリント基板１１の長手方向における導電体１７の長さが、図５に示した導電体１７よりも短くなっている。その他の構成は、図５に示したプリント基板ダイポールアンテナ１０と同じである。

前述のように、プリント基板の一方の面にアンテナ素子を設け、他方の面に導電体を設け、それらをスルーホールで電気的に接続したダイポールアンテナでは、図１３に示したような逆Ｌ形状のアンテナ等と比較して、アンテナ素子、および、導電体の形状、配置の自由度が高い。特に、このダイポールアンテナでは、グランドパターンを設ける必要がないので、アンテナ素子および導電体の形状、配置の自由度がさらに高くなる。

そのため、プリント基板の一方の面のアンテナパターンにおいて発生する電界と、他方の面のアンテナパターンで発生する電界との間での電界の強め合い、打ち消し合いを考慮して、柔軟なアンテナ設計が可能となる。その結果、図７〜図９に示したようなアンテナ構成が容易に実現され、指向性等の特性を所望のものに設定することができる。

また、これらのプリント基板ダイポールアンテナ１０でも、小型でありながら、広い帯域で共振することができる。図１０は、電圧定在波比と周波数との関係を示す図である。

ここで、図１０（Ａ）は、図７に示したプリント基板ダイポールアンテナ１０における電圧定在波比と周波数との関係を示す図である。図１０（Ｂ）は、図８に示したプリント基板ダイポールアンテナ１０における電圧定在波比と周波数との関係を示す図である。図１０（Ｃ）は、図９に示したプリント基板ダイポールアンテナ１０における電圧定在波比と周波数との関係を示す図である。

いずれの場合も、電圧定在波比が２以下となる帯域が複数生じる。すなわち、図７〜９のプリント基板ダイポールアンテナ１０であっても、複数の周波数で共振することが可能となる。

（実施形態３）
図１１は、本発明の実施形態３に係るプリント基板ダイポールアンテナ１０の構成を示す図である。図１１（Ａ）は、プリント基板ダイポールアンテナ１０の一方の面を示している。また、図１１（Ｂ）は、プリント基板ダイポールアンテナ１０の他方の面を示している。

図１１（Ａ）に示すように、このプリント基板ダイポールアンテナ１０では、プリント基板１１の一方の面に、アンテナ素子１２、１３が設けられる。ここで、アンテナ素子１２の形状は、Ｕ字状となっており、アンテナ素子１３の形状は、短冊状となっている。

アンテナ素子１２の一端には、導電体１９ａが接続される。そして、導電体１９ａには、コネクタ１９を介して、同軸ケーブル（図示せず）の内部導電体（信号側導電体）が接続される。

また、図１１（Ｂ）に示すように、プリント基板１１のもう一方の面には、導電体１７、１８が設けられる。ここで、導電体１７、１８の形状は、板状となっている。そして、導電体１８の角部には、コネクタ１９の端子１９ｂを介して、同軸ケーブルの外部導電体（グランド側導電体）が接続される。

なお、ここでは、同軸ケーブルの内部導電体を導電体１９ａに接続し、外部導電体を導電体１８に接続することとしたが、内部導電体を導電体１８に接続し、外部導電体を導電体１９ａに接続することとしてもよい。

さらに、アンテナ素子１２と導電体１７とは、アンテナ素子１２の端部に設けられたスルーホール１６を介して電気的に接続される。また、アンテナ素子１３と導電体１８とは、アンテナ素子１３の端部に設けられたスルーホール２０を介して電気的に接続される。

すなわち、アンテナ素子１２、１３は、それぞれ、接続部１５、スルーホール２０から給電される。そして、アンテナ素子１２、１３は、上記のような同軸ケーブルを介して、通信機器に接続される。

ここで、アンテナ素子１２、１３、アンテナ素子１２に接続される導電体１７、および、アンテナ素子１３に接続される導電体１８は、非対称のダイポールアンテナを形成する。

前述のように、プリント基板の一方の面にアンテナ素子を設け、他方の面に導電体を設け、それらを電気的に接続したダイポールアンテナでは、図１３に示したような逆Ｌ形状のアンテナ等と比較して、アンテナ素子、および、導電体の形状、配置の自由度が高い。

そのため、プリント基板の一方の面のアンテナパターンにおいて発生する電界と、他方の面のアンテナパターンで発生する電界との間での電界の強め合い、打ち消し合いを考慮して、柔軟なアンテナ設計が可能となる。その結果、図１１に示したようなアンテナ構成が容易に実現され、指向性等の特性を所望のものに設定することができる。

また、このプリント基板ダイポールアンテナ１０でも、実施形態１、２で説明したプリント基板ダイポールアンテナ１０と同様に、小型でありながら、広い帯域で共振することができる。

（変形例）
上記実施形態１〜３においては、スルーホール１６を介して、アンテナ素子１２と導電体１７とを電気的に接続し、さらに実施形態３においては、スルーホール２０を介して、アンテナ素子１３と導電体１８とを電気的に接続することとした。

しかし、これら各部材の接続方法は、スルーホール１６、２０を用いるものに限定されず、それ以外の方法であってもよい。図１２は、アンテナ素子１２と導電体１７を電気的に接続する他の方法について説明する図である。

図１２には、プリント基板ダイポールアンテナ１０におけるプリント基板１１、アンテナ素子１２、導電体１７が示されている。そして、この例では、プリント基板１１の側面を回り込むように配置される導電体２１を用いて、アンテナ素子１２と導電体１７とが電気的に接続される。その結果、アンテナ素子１２、１３と、アンテナ素子１２に接続される導電体１７とは、非対称のダイポールアンテナを形成する。

なお、ここでは、アンテナ素子１２と導電体１７との接続を例に挙げたが、図１１に示したアンテナ素子１３と導電体１８との接続も、プリント基板１１の側面を回り込むように配置される導電体２１を用いて行うことができる。

また、上記実施形態１〜３においては、プリント基板１１が１つだけの場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、実施形態１〜３で説明したようなプリント基板１１に、１つ以上の別のプリント基板が積層されてもよい。

積層されるプリント基板の少なくとも一方の面には導電体が備えられ、その導電体と、実施形態１〜３で説明したようなプリント基板１１のアンテナ素子１２、および、導電体１７とが、スルーホールや上記導電体２１を介して電気的に接続される。そして、電気的に接続された各部材は、非対称のダイポールアンテナを形成する。

前述のように、プリント基板の一方の面にアンテナ素子を設け、他方の面に導電体を設け、それらを電気的に接続したダイポールアンテナでは、図１３に示したような逆Ｌ形状のアンテナ等と比較して、アンテナ素子、および、導電体の形状、配置の自由度が高い。このことは、少なくとも一方の面に導電体を有する１つ以上の別のプリント基板がさらに積層された場合も同様である。

そのため、プリント基板の各面のアンテナパターンにおいて発生する電界間での電界の強め合い、打ち消し合いを考慮して、柔軟なアンテナ設計が可能となる。その結果、指向性等の特性が所望のものに設定されたアンテナ構成が容易に実現される。

また、このようなプリント基板ダイポールアンテナ１０でも、実施形態１〜３に示したプリント基板ダイポールアンテナ１０と同様に、小型でありながら、広い帯域で共振することができる。

本発明にかかるプリント基板ダイポールアンテナは、小型化、薄型化が求められる通信機器に用いるのに好適である。

１，１１ プリント基板
２，３ グランドパターン
２ａ，３ａ，６ａ，７ａ，１６，２０ スルーホール
４ 給電点
５ 逆Ｆ形状アンテナパターン
６，７ 逆Ｌ形状アンテナパターン
１０ プリント基板ダイポールアンテナ
１２，１３ アンテナ素子
１４，１５ 接続部
１７，１８，１９ａ，２１ 導電体
１９ コネクタ
１９ｂ 端子

Claims (7)

1. プリント基板と、
   第１のアンテナ素子および第２のアンテナ素子からなり、前記プリント基板の第１の面に設けられるダイポールアンテナと、
   前記プリント基板の第２の面に設けられる導電体と、
   前記第１のアンテナ素子の一部と前記導電体の一部との間に形成され、前記第１のアンテナ素子と前記導電体とを電気的に接続する接続部と、
   を具備するプリント基板ダイポールアンテナ。
2. 前記第１のアンテナ素子の形状はＳ字状である、請求項１に記載のプリント基板ダイポールアンテナ。
3. 前記第１のアンテナ素子の形状は、２つの短冊状領域が板状領域の両側に付加された形状であり、前記２つの短冊状領域は前記第２のアンテナ素子側に突出している、請求項１に記載のプリント基板ダイポールアンテナ。
4. 前記プリント基板の前記第２の面に前記導電体と間隔を空けて別の導電体が設けられ、該別の導電体と前記ダイポールアンテナの前記第２のアンテナ素子とが電気的に接続される、請求項１に記載のプリント基板ダイポールアンテナ。
5. 前記第１のアンテナ素子の一部は、該第１のアンテナ素子の２つの端部のうち、給電がなされる端部と反対側の端部である、請求項１から４のいずれか１項に記載のプリント基板ダイポールアンテナ。
6. 前記プリント基板に、少なくとも一方の面に導電体を有する１つ以上の別のプリント基板が積層され、該別のプリント基板の少なくとも一方の面に設けられた導電体と、前記第１のアンテナ素子とが電気的に接続される、請求項１から５のいずれか１項に記載のプリント基板ダイポールアンテナ。
7. 前記接続部は、スルーホールである、請求項１から６のいずれか１項に記載のプリント基板ダイポールアンテナ。
   

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